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脱甲烷 系统以及冷箱系统的优化. 报告人：冯胜科 指导 教师：罗祎 青. 课题背景. 乙烯 脱甲烷 塔系统的主要任务是将裂解气中氢气甲烷以及其他惰性气体与 C2 以上组分进行分离，脱甲烷塔的关键组分是甲烷和乙烯。 乙烯冷 箱系统主要是完成氢气、甲烷的分离任务，为脱甲烷塔提供适宜的进料，以及高压甲烷回流液的预冷。冷箱系统所需冷量约占总冷负荷的 40% ，对保证乙烯收率、乙烯产品、氢气及甲烷副产品的质量起着决定性的 作用。 因此优化脱甲烷塔系统和冷 箱系统换热网络结构，有效利用低温冷源，有利于系统冷量的回收，降低冷公用工程负荷，减轻压缩机的负担.
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脱甲烷系统以及冷箱系统的优化 报告人：冯胜科 指导教师：罗祎青
课题背景 乙烯脱甲烷塔系统的主要任务是将裂解气中氢气甲烷以及其他惰性气体与C2以上组分进行分离，脱甲烷塔的关键组分是甲烷和乙烯。 乙烯冷箱系统主要是完成氢气、甲烷的分离任务，为脱甲烷塔提供适宜的进料，以及高压甲烷回流液的预冷。冷箱系统所需冷量约占总冷负荷的40%，对保证乙烯收率、乙烯产品、氢气及甲烷副产品的质量起着决定性的作用。 因此优化脱甲烷塔系统和冷箱系统换热网络结构，有效利用低温冷源，有利于系统冷量的回收，降低冷公用工程负荷，减轻压缩机的负担
课题背景 然而化工过程的高效、节能、减排是一个全局、长期、多目标优化问题，装置单个操作单元或工段的最优并不预示着系统整体达到最优，可能因为各单元装置之间或公用工程系统不匹配而效率不高。针对某一过程的提高效率并不一定能提高系统整体效率，甚至有时适得其反。
课题背景 例如，优化乙烯装置中脱甲烷分离系统能够使乙烯的损失降到最少，明显提高装置收益，然而在优化脱甲烷系统过程中，会使整个冷箱系统换热网络发生变化，换热网络的改变又直接影响到系统各等级冷剂用量及等级的改变，即制冷系统的设计将发生改变。乙烯装置中，各等级冷剂的提供完全靠制冷压缩机完成，尽管脱甲烷系统的优化实现了乙烯产品损失最少，并且能够同时设计相应的能量回收最多的冷箱换热网络系统，但系统制冷压缩机消耗的轴功往往并不最少，不能保证系统整体性能达到了最优。因此从系统整体角度看，体现系统效率或水平的指标因素之间存在着冲突，降低物耗可能以高能耗为代价。
研究动态 • 优化脱甲烷塔 • 优化冷箱系统换热网络 • 优化制冷轴功
优化脱甲烷塔 脱甲烷塔的特征：多组分进料、再沸器，塔顶回流 简捷法：简捷法建立在对塔设计方程的简化思考的基础上，他可以初步估计这个分离过程的操作条件限制，简捷法通常能计算塔板数，简捷法在基本的设计中很重要，可以预筛分那些重大的设计方法。它可以近似的确定设备的大小和花费，缺点是他不够精确。 Fenske-Underwood-Gilliland：最常用的简捷法，两个假定，恒摩尔流和恒相对挥发度。适用于相对理想的物系，F-U-G不适用于脱甲烷塔，因为两种假设不成立 Suphanit（1999）发展的F-U-G方法：在最小回流比下，多组分精馏塔一般有2个夹点。恒摩尔流只在这两个夹点中间才适用，并在塔顶采用焓平衡来计算冷凝器负荷以及塔顶的蒸汽流率，再沸器通过整体的焓平衡来计算。尽管这样改进得出的结果好些，但是还是不能满足精度要求。
优化脱甲烷塔 严谨法：严谨法需要物料平衡和能量平衡的方程式，以及相平衡关系，严谨法假设每一级塔板都存在相平衡，而且气液相之间的迁移可以忽略不计，严谨法比简捷法的假设少，但是需要用数值表示的算法公式，严谨法需要好的初值来收敛，和简捷法比较，需要更多的计算时间。严谨法的精确性是以计算的复杂性为代价的，因此在本课题中，严谨法不合适
优化脱甲烷塔 MuneebNawaz,Megan Jobson(2011)提出了A boundary value design method（边界值设计法）来优化复杂的脱甲烷塔，此方法是将简捷法和严格法两种方法结合起来构建的新的系统集成的方法，并且提出了具体的计算方程式，是半严格的。通过此方法优化的结果和HYSYS的基本一致。
优化冷箱系统换热网络结构 XiongtaoYang,QiangXu(2011)阐述了一种系统方法，优化冷箱系统的过程操作，保证最小的能量损失并且同时使乙烯损失最少，此方法包括四个主要步骤： 1根据流程图对各个设备进行严格法的计算（aspen plus） 2对系统进行灵敏度分析，找出对乙烯损失和能量消耗影响最大的关键因素 3通过对关键因素的优化，使乙烯损失和能量消耗降低 4对最终结果进行分析，看优化过程是否已经达到最优 优点：过程严谨，结论可靠 缺点：计算量大，过程繁琐，且只针对换热网络进行优化，没有考虑到制冷压缩机轴功的优化
优化冷箱系统换热网络结构 马相坤，姚平经（2006）利用虚拟温度法对国内某乙烯装置冷箱系统进行用能诊断分析 流股虚拟温度定义： 热流股虚拟温度=热流股温度-ΔTH冷流股虚拟温度=冷流股温度+ΔTc ΔTH，ΔTc分别为热流股和冷流股的传热温差贡献值，实质上是该流股侧的传热的温差推动力 ΔTi=ΔTr=C ▪ ai▪hi ΔTi:流股i的传热温差贡献值 ：流股r,i的换热器单位面积的费用 ，hi：流股r,i侧的传热膜系数 ΔTr:参考流股r的传热温差贡献值 ΔTrhi可以准确的计算出来
优化冷箱系统换热网络结构 马和姚基于流股虚拟温度的T-H图，构造多流股换热器网络，作为遗传/模拟退火算法的初始解，以冷热流股的传热温差贡献值为决策变量，以换热网络的年度化总费用为目标函数，利用遗传/模拟退火算法求解，得到最终的换热网络。另外，还采用分批逐次加入冷公用工程，自动得到冷公用工程的合理温位和热负荷。与现场用能情况相比，冷公用工程用量降低了44.5%
本研究课题将以此问题为出发点，研究乙烯冷端分离系统整体行为受系统内不同物质或能量传递过程及流程结构的影响，研究系统中能量、质量交换网络之间的相互耦合作用，采用系统工程方法辨识问题的瓶颈，并通过流程结构的优化实现系统整体行为的多目标优化。本研究课题将以此问题为出发点，研究乙烯冷端分离系统整体行为受系统内不同物质或能量传递过程及流程结构的影响，研究系统中能量、质量交换网络之间的相互耦合作用，采用系统工程方法辨识问题的瓶颈，并通过流程结构的优化实现系统整体行为的多目标优化。
